DE102019101045B4 - Device and method for regulating a vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Regelung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße (u) für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt (206), wobei die wenigstens eine Stellgröße (u) abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird (204), wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird (204), wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stell größe (Δu(k)) bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße (Δu(k)) für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie abhängig von einem Gütemaß (J) bestimmt wird, wobei das Gütemaß (J) von einer Regelabweichung (e) und einem Regelaufwand abhängt, und dass das Gütemaß (J) abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße (u) für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert.Method for regulating a vehicle, characterized in that a model predictive controller specifies at least one manipulated variable (u) for at least one of the plurality of controlled systems for influencing the driving behavior of a vehicle, the at least one manipulated variable (u) depending on a time-discrete dynamic model of the vehicle to be controlled is determined (204), with a trajectory of future states of the model up to a time horizon being determined (204) for a current state of the model, the trajectory depending on a change in the at least one position variable (Δu (k)) is determined, and the change in the at least one manipulated variable (Δu (k)) for determining the trajectory is approximated by means of at least one Laguerre function, characterized in that the trajectory is dependent on a quality measure (J ) is determined, wherein the quality measure (J) depends on a control deviation (e) and a control effort, and that the quality measure (J) is defined as a function of at least one limit value which characterizes a limitation of an actuating range of an actuator or a limitation for the value of a manipulated variable (u) for at least one of the plurality of controlled systems.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.The invention is based on a method for regulating a vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for regulating a vehicle, in particular a vehicle with an electric drive, according to the preamble of claim 6.
Die Publikation
- - das Bereitstellen eines mathematischen Modells der Fahrzeugdynamik, das eine Zustandsvariable, eine Lenksteuerungsvariable und einen zukünftigen Fahrbahnstörungsfaktor beinhaltet, der eine Krümmung, einen Hang und/oder eine Steigung der Fahrbahn definiert;
- - das Bestimmen eines Lenksteuerungsziels unter Verwendung der Lenksteuerungsvariable, die die Differenz zwischen einem aktuellen Fahrzeugweg und einem gewünschten Fahrzeugweg verringert;
- - das Bestimmen eines optimalen Lenksteuersignals unter Verwendung des mathematischen Modells, das das Lenksteuerungsziel bereitstellt und das einen Rückkopplungsabschnitt und einen Vorwärtskopplungsabschnitt beinhaltet, wobei der Vorwärtskopplungsabschnitt den Straßenstörungsfaktor beinhaltet; und
- - das Bereitstellen des Steuersignals an eine Lenkungssteuerung.
- the provision of a mathematical model of the vehicle dynamics that includes a state variable, a steering control variable and a future road surface disturbance factor which defines a curvature, a slope and / or a gradient of the road;
- - determining a steering control target using the steering control variable that reduces the difference between an actual vehicle path and a desired vehicle path;
- - determining an optimal steering control signal using the mathematical model that provides the steering control target and that includes a feedback section and a feedforward section, the feedforward section including the road disturbance factor; and
- the provision of the control signal to a steering controller.
Die zunehmende Anzahl von Regelsystemen und Assistenzsystemen in derartigen Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb macht eine friedliche Koexistenz dieser Systeme zunehmend komplexer. Der Aufwand für die Applikation dieser Systeme steigt. Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, insbesondere Fahrzeuge mit Radnabenmotoren bieten zudem völlig neue Freiheitsgrade beispielsweise für Torque Vectoring. Die Effektivität der Regelsysteme und Assistenzsysteme lässt sich durch eine koordinierte Ansteuerung durch einen zentralen Regler steigern. Hierbei ist eine geschlossene Berücksichtigung der Limits der Regelsysteme essenziell für die effektive, zentrale Regelung.The increasing number of control systems and assistance systems in vehicles of this type with electric drive makes the peaceful coexistence of these systems increasingly complex. The effort for the application of these systems increases. Vehicles with electric drive, in particular vehicles with wheel hub motors, also offer completely new degrees of freedom, for example for torque vectoring. The effectiveness of the control systems and assistance systems can be increased by coordinated control by a central controller. Closed consideration of the limits of the control systems is essential for effective, centralized control.
Integrierte Fahrdynamikregler werden eingesetzt, um eine zentrale Regelung zu ermöglichen.Integrated driving dynamics controllers are used to enable central control.
Wünschenswert ist es, derartige Systeme weiter zu verbessern.It is desirable to improve such systems further.
Dies wird durch die Vorrichtung und das Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen erreicht.This is achieved by the device and the method according to the independent claims.
Das Verfahren sieht vor, dass ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße für mindestens eine der Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt, wobei die wenigstens eine Stellgröße abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird, wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird, wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stellgröße bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist. Zudem ist vorgesehen, dass die Trajektorie abhängig von einem Gütemaß bestimmt wird, wobei das Gütemaß von einer Regelabweichung und einem Regelaufwand abhängt, und dass das Gütemaß abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert. Basierend auf einem internen Fahrzeugmodell werden die zukünftigen Fahrzeugzustände prädiziert und die Regelsystemeingriffe berechnet. Die Koordination der Regler erfolgt aus dem Modellwissen, d.h. über die Wirkung der Regelsysteme des modell-prädiktiven Reglers. Mittels Laguerre-Funktionen lässt sich die Rechenzeit reduzieren. Damit ist der modell-prädiktive Regler auch für den Einsatz in einem Steuergerät für ein Fahrzeug möglich.The method provides that a model-predictive controller specifies at least one manipulated variable for at least one of the plurality of controlled systems for influencing the driving behavior of a vehicle, the at least one manipulated variable being determined as a function of a time-discrete dynamic model of the vehicle to be controlled, wherein a trajectory of future states of the model up to a time horizon is determined for a current state of the model, the trajectory being determined as a function of a change in the at least one manipulated variable, and the change in the at least one manipulated variable for determining the trajectory by means of at least one Laguerre function is approximated. It is also provided that the trajectory is determined as a function of a quality measure, the quality measure depending on a control deviation and a control effort, and that the quality measure is defined as a function of at least one limit value, which is a limitation of a setting range of an actuator or a limitation for the value a manipulated variable for at least one of the large number of controlled systems characterized. Based on an internal vehicle model, the future vehicle states are predicted and the control system interventions are calculated. The controller is coordinated from the model knowledge, ie via the effect of the control systems of the model predictive controller. The computing time can be reduced using Laguerre functions. This means that the model predictive controller can also be used in a control unit for a vehicle.
Das Gütemaß stellt ein definiertes Kriterium dar, mit dem optimale Regelsystemeingriffe bestimmt werden. Dies ermöglicht eine Minimierung der Regelsystemeingriffe, beispielsweise um unnötige Eingriffe zu vermeiden, und eine Minimierung der Abweichung der Ist-Trajektorie von einer Solltrajektorie.The quality measure represents a defined criterion with which optimal control system interventions are determined. This enables a minimization of the control system interventions, for example in order to avoid unnecessary interventions, and a minimization of the deviation of the actual trajectory from a target trajectory.
Da das Gütemaß abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert, werden Grenzen, die durch die Aktuatoren des Fahrzeugs oder die physikalischen Gegebenheiten 5 für eine Regelung vorgegeben sind, berücksichtigt.Since the quality measure is defined as a function of at least one limit value, which characterizes a limitation of an adjustment range of an actuator or a limitation for the value of a manipulated variable for at least one of the large number of controlled systems, limits that are set by the actuators of the vehicle or the physical conditions 5 for a regulation are given.
Vorzugsweise umfasst der modell-prädiktive Regler eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion, die durch ein linearisiertes zeitinvariante Zustandsmodell und Laguerre-Koeffizienten definiert ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen modell-prädiktiven Reglern werden die Laguerre Koeffizienten optimiert. Dies stellt eine besonders schnell berechenbare 0 Prädiktion dar.The model-predictive controller preferably comprises a time-discrete state prediction which is defined by a linearized time-invariant state model and Laguerre coefficients. In contrast to conventional model predictive controllers, the Laguerre coefficients are optimized. This represents a 0 prediction that can be calculated particularly quickly.
Vorzugsweise ist der modell-prädiktive Regler abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße für jeden Zeitschritt bis zu einem Zeithorizont definiert.The model predictive controller is preferably defined as a function of the change in the at least one manipulated variable for each time step up to a time horizon.
Vorzugsweise beeinflussen unterschiedliche Stellgrößen unterschiedliche Fahrzeugkomponenten aus Antrieb, Hinterachslenkung, Steuergerät und/oder Aktuatoren 5 für Torque Vectoring, Allradsystem, Fahrwerksaktuator, insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb.Different manipulated variables preferably influence different vehicle components from the drive, rear axle steering, control unit and / or actuators 5 for torque vectoring, all-wheel drive system, chassis actuator, in particular in autonomous driving mode.
Vorzugsweise wird die wenigstens eine Stellgröße abhängig von einer Referenzgröße bestimmt.The at least one manipulated variable is preferably determined as a function of a reference variable.
Die Vorrichtung umfasst einen Mikroprozessor und einen Speicher mit Befehlen, bei deren 0 Ausführung durch den Mikroprozessor das Verfahren ausgeführt wird.The device comprises a microprocessor and a memory with instructions, which, when executed by the microprocessor, execute the method.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine erste Schnittstelle für wenigstens eine Regelgröße und eine zweite Schnittstelle für wenigstens eine Stellgröße, wobei die erste Schnittstelle ausgebildet ist, Information über Regelgrößen von unterschiedlichen Regelstrecken zu empfangen, wobei die zweite Schnittstelle ausgebildet ist, Stellgrößen für unterschiedliche Regelstrecken auszugeben.The device preferably comprises a first interface for at least one controlled variable and a second interface for at least one manipulated variable, the first interface being designed to receive information about controlled variables from different controlled systems, the second interface being designed to output manipulated variables for different controlled systems.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
-
1 schematisch eine Vorrichtung zur zentralen Regelung eines Fahrzeugs, -
2 schematisch ein Flussdiagram mit Schritten eines Verfahrens zur Regelung des Fahrzeugs.
-
1 schematically a device for the central control of a vehicle, -
2 schematically a flow diagram with steps of a method for regulating the vehicle.
Die Vorrichtung
Im Beispiel umfassen die Regelstrecken unterschiedliche Aktuatoren, deren Stellbereiche durch Begrenzungen eingeschränkt sind. Es kann auch eine Begrenzung vorgesehen sein, die den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert. Damit werden die physikalischen Gegebenheiten berücksichtigt.In the example, the controlled systems include different actuators, the adjustment ranges of which are restricted by limitations. A limitation can also be provided which characterizes the value of a manipulated variable for at least one of the plurality of controlled systems. This takes the physical conditions into account.
Die Information über Regelgrößen y von unterschiedlichen Regelstrecken wird über Sensoren erfasst, oder durch Steuergeräte bestimmt, die mit der Vorrichtung
Im Beispiel soll eine gewünschte Gierrate, Längsgeschwindigkeit und Quergeschwindigkeit eingestellt werden. Im Beispiel wird eine entsprechende Referenzgröße abhängig von einem Einspurmodell für das Fahrzeug bestimmt. Beispielsweise wird ein Lenkwinkel δFfür das Einspurmodell abhängig von einem Soll-Lenkwinkel als Regelgröße, die ein Lenkwinkelsensor liefert, und eine Ist-Geschwindigkeit v des Fahrzeugs, die ein Steuergerät des Fahrzeugs liefert, verwendet, um eine gewünschte Gierrate zu bestimmen.In the example, a desired yaw rate, longitudinal speed and lateral speed are to be set. In the example, a corresponding reference variable is determined depending on a single-track model for the vehicle. For example, a steering angle δ F for the single-track model is dependent on a target steering angle as a control variable that is supplied by a steering angle sensor, and an actual speed v of the vehicle, which is provided by a control unit of the vehicle supplies, used to determine a desired yaw rate.
Dazu wird die charakteristische Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt:
csRSchräglaufsteifigkeit vorne rechts,
csLSchräglaufsteifigkeit vorne links.To do this, the characteristic speed of the vehicle is determined:
c sR slip rigidity front right,
c sL Skew stiffness front left.
Abhängig davon wird eine Soll-Gierrate bestimmt:
Um unrealistisch hohe Werte zu vermeiden, wird die Soll-Gierrate abhängig vom Reibwert µ, der Erdbeschleunigung g und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs v begrenzt auf:
Für einen Soll-Schwimmwinkel wird ein stationärer Zustand mit β̇̇̇̇̇ = 0 angenommen. Damit ist der Soll-Schwimmwinkel abhängig von der Gierrate Ψ̇:
Der Soll-Schwimmwinkel wird beispielsweise auf 5° begrenzt.The target float angle is limited to 5 °, for example.
Der Speicher
Im Verfahren wird ein modell-prädiktiver Regler verwendet, der das folgende zeit-diskrete dynamische Modell des zu regelnden Fahrzeugs umfasst:
Im Verfahren wird im Beispiel die folgende Regelabweichung verwendet:
Die Matrizen des Modells sind wie folgt definiert:
Das zeit-diskrete dynamische Modell des zu regelnden Fahrzeugs umfasst einen Vektor der Änderung der Stellgrößen Δui(k), der im Beispiel bestimmt wird als
Die Anzahl der Laguerre Koeffizienten ηi ist gemäß der Anzahl i der Stellgrößen anpassbar. Für den Pol a des durch inverse z-Transformation eines kontinuierlichen Laguerre Netzwerks erhaltenen diskreten Laguerre Netzwerks mit der Ordnung m gilt im Beispiel:
Der Pol a ist ein wählbarer Skalierfaktor, der die Güte der Approximation beeinflusst.The pole a is a selectable scaling factor that influences the quality of the approximation.
Im Beispiel soll für das Fahrzeug eine optimale Regeltrajektorie abhängig von einem Systemmodel des Fahrzeugs erreicht werden. Im Beispiel werden der Zustandsvektor
σx
σx
σx
σx
δR Hinterachslenkwinkel.In the example, an optimal control trajectory is to be achieved for the vehicle depending on a system model of the vehicle. In the example, the state vector
σ x
σ x
σ x
σ x
δ R rear axle steering angle.
Der Vektor u ist im Beispiel für die Ansteuerung der Radschlüpfe und des Hinterachssteuerwinkels dimensioniert. Für eine Vielzahl von Regelstrecken wird der Vektor u beispielweise entsprechend der Anzahl der verfügbaren Stellgrößen dimensioniert.In the example, the vector u is dimensioned for the control of the wheel slips and the rear axle control angle. For a large number of controlled systems, the vector u is dimensioned, for example, according to the number of manipulated variables available.
Die Folgende Gleichung für die Berechnung der Trajektorie des Zustandsvektors x(k + mlk) bis zum Horizont der Prädiktion NP, d.h. für jeden Schritt m < NP nach dem Zeitpunkt k, beschreibt die im Regler verwendete Zeit-diskrete Zustandsprädiktion unter Verwendung eines linearen Zeit-invarianten Zustandsmodells und mit Laguerre Koeffizienten bezüglich der Änderung der Stellgröße Δu:
Um ein zufriedenstellendes Fahrzeugverhalten zu erzeugen wird im Beispiel das folgende Gütemaß verwendet, welches minimiert wird um sowohl die Regelabweichung als auch den Regelaufwand zu berücksichtigen:
Wobei M und y die Begrenzung beschreiben. Im Beispiel wird eine Begrenzung für einen maximal gewünschten Radschlupf und Hinterachssteuerwinkel verwendet. Diese Beschränkungen begrenzen die Änderungsgeschwindigkeit der Stellgrößen ΔU(min/max) und der Absolutwerte U(min/max) wie folgt:
Das im Folgenden anhand der
Anschließend wird ein Schritt
Im Schritt
Anschließend wird ein Schritt
Im Schritt
Der modell-prädiktive Regler ist im Beispiel abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße Δu für jeden Zeitschritt bis zum Zeithorizont Np definiert.In the example, the model predictive controller is defined as a function of the change in the at least one manipulated variable Δu for each time step up to the time horizon N p .
Der modell-prädiktive Regler führt eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion aus, die durch das beschriebene lineare zeitinvariante Zustandsmodell und die Laguerre-Koeffizienten ηi definiert ist.The model-predictive controller carries out a time-discrete state prediction which is defined by the linear time-invariant state model described and the Laguerre coefficients η i .
Die Trajektorie wird vorzugsweise abhängig vom Gütemaß J bestimmt. Das Gütemaß J hängt im Beispiel von der Regelabweichung e und dem Regelaufwand ab. Das Gütemaß J ist im Beispiel abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators definiert. Der Grenzwert kann auch eine Begrenzung für den Wert einer der Stellgrößen u charakterisieren.The trajectory is preferably determined as a function of the quality measure J. In the example, the quality factor J depends on the control deviation e and the control effort. In the example, the quality measure J is defined as a function of at least one limit value which defines a limitation of an adjustment range of an actuator. The limit value can also characterize a limit for the value of one of the manipulated variables u.
Anschließend wird ein Schritt
Im Schritt
Anschließend wird der Schritt
Die Beeinflussung der Fahrzeugkomponenten erfolgt insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb.The vehicle components are influenced in particular in an autonomous driving mode.
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